雙金屬管極限彈性水壓復合工藝研究

黃克堅，王利樹，黎劍峰，徐 亮，魏家樂

（番禺珠江鋼管有限公司，廣州 511450）

0 前 言

酸性介質條件下的管線輸送工程建設表明，采用雙金屬機械復合管替代不銹鋼管，具有明顯的材料成本優勢。在防腐蝕技術領域，雙金屬機械復合管產品的研發生產，已經成為行業關注的重點技術之一。雙金屬機械復合管由兩種材料性能優勢各異的金屬管經機械復合加工而成，即外基管和內襯管的機械復合，二者之間接觸應力大小是衡量雙金屬機械復合工藝可靠性的主要標志。以應用于酸性油氣介質輸送管道的雙金屬機械復合管為例，其內層為耐蝕合金管，外層是高強度的管線管。中華人民共和國城鎮建設行業標準CJ/T 192—2004和石油天然氣行業標準SY/T 6623規定，經機械復合加工后的雙金屬管，其層間接觸應力應不低于0.2MPa，測試試驗可按照CJ/T 192—2004附錄A進行。雙金屬機械復合管制造技術包括爆燃、旋壓、拉拔以及外包模具的水壓擴徑等多種機械復合工藝，但如何實現復合管雙金屬層間接觸力大小的現場控制，上述工藝都未曾提供可操作性強、效果顯著的解決方案。鑒于此，本研究進行了雙金屬機械復合管的水壓復合工藝的研究，提出了一種利用材料極限彈性膨脹控制水壓復合效果的方法。圖1所示為典型的雙金屬復合管。

圖1 雙金屬復合管外觀

1 雙金屬管水壓復合緊密程度的控制原理

圖2為雙金屬復合管水壓復合工裝示意圖。從圖2可以看出，雙金屬復合管的內襯管插入外基管內腔，在外基管開鑿兩個排氣孔，復合過程中，存在于復合管內、外兩層金屬間隙中的空氣可由排氣孔排出。管端組合密封裝置（包括密封墊和張力密封圈兩部分，其中張力密封圈采用高分子彈性材料，緊箍在密封墊上）的主要作用是防止水進入內襯管和外基管之間的間隙；堵頭的材料性質與內襯管材料相同，內襯管的兩管端口插入堵頭后，沿交界將內襯管和堵頭焊成一體，內襯管內腔自成一個密封室；導管與外部的水泵相接；水壓傳感器外接專用儀器用于檢測和控制密封室水壓膨脹壓力。

圖2 雙金屬復合管水壓復合工裝

加壓前，需先對內襯管密封腔進行充水排氣，水經導管流入內襯管，當排氣管流出水時，表明內襯管充滿水液，此時應關閉與排氣管相接的閥門，內襯管腔成為一個獨立的密封室。

試壓開始后，內襯管中段管體部分由于在徑向處于相對無約束狀態，管體的彈塑性膨脹變形首先產生于內襯管的中段部分，隨著內襯管密封腔水壓力的不斷增加，膨脹變形向內襯管兩端擴展延伸，復合管間隙處的空氣可經排氣孔排出，內襯管與外基管逐步接觸貼合。當內腔水壓力繼續增大，水壓力通過內襯管向外基管施加徑向膨脹力，促使外基管也發生膨脹變形。

在雙金屬管水壓復合過程中，內襯管和外基管的貼合緊密程度可通過水壓膨脹加載和卸載兩個過程實現。在加載過程中，內襯管發生塑性變形，外基管因彈性膨脹而儲存一定的彈性變形勢能；而在卸載過程中，由于內襯管彈性回復量小，塑性殘余變形量大，外基管則依托內襯管的結構剛度，把部分彈性勢能保留在雙金屬復合管上。如果所保留的彈性勢能越多，則復合管的接觸貼合緊密程度越高。在材料力學性能、尺寸規格既定的情況下，由于外基管剩余彈性勢能是控制復合管貼合緊密度的關鍵，因此，可通過水泵壓力的控制，促使外基管發生最大彈性變形，從而獲得最大的剩余彈性勢能，確保復合管的最佳復合效果。

2 試驗驗證

2.1 外基管彈性勢能對復合效果的影響

為研究外基管彈性勢能對復合效果的影響，選擇了4種不同水壓復合方案。復合管接觸應力試驗按CJ/T 192—2004附錄A進行，試驗結果見表1。

從表1的數據對比可以看出，對于B等級低材質的外基管，盡管水壓已經達到38MPa，外基管的環向應力雖已接近材料的屈服極限，但復合后的雙金屬管層間接觸應力的測試值只有0.075MPa，該值遠未達到城鎮建設部行業標準 CJ/T 192—2004和中石油天然氣行業標準SY/T 6623的要求。經分析認為，主要原因在于外基管材質級別太低，壁厚太薄，因而不足以產生足夠的彈性應變而引起。

表1 基層（外基管）彈性勢能對復合效果的影響

2.2 極限彈性條件下的水壓復合試驗

試制過程按API 5LD和PY35-1/2系列海洋管技術規格書要求進行，復合管的外基管選用X65QO碳鋼無縫鋼管，其規格為φ168.3mm× 12.7 mm×12 200 mm；復合管的內襯管用316L奧氏體不銹鋼焊管，其規格為φ141.3mm×3.0mm× 12 250mm。

復合管水壓膨脹試驗過程中，密封室水膨脹壓力與時間的對應關系如圖3所示。當水膨脹壓力達到圖3曲線對應的第5min的B位置時，內襯管已經處于由彈性變形到塑性變形的過渡階段；當到達曲線上的C點時，內襯管和外基管基本貼合，若此時繼續增大膨脹壓力，外基管也開始發生彈性變形，復合管整體上的變形抗力不斷增大，水泵提供的膨脹壓力隨時間以近似線性增量方式繼續增大（因為此時內襯管材料已經處于塑性變形階段，與外基管彈性變形抗力增幅相比，其抗力增幅量很小），并一直持續到曲線D點位置；當壓力達到85MPa，外基管處于由彈性變形向塑性變形階段過渡的拐點，外基管的膨脹變形因達到彈性變形極限而獲得最大彈性勢能。為了讓外基管儲備足夠的彈性勢能保持穩定，可控制水壓力達到90MPa時，保壓30 s后卸載。實測結果見表2，其層間接觸應力的大小可達到2.21MPa。

圖3 密封水壓力與時間對應關系

表2 外基管彈性勢能對復合效果的影響

試驗結果表明：通過膨脹試驗曲線拐點的現場水壓控制，可有效保證復合管層間貼合的緊密度，并取得了理想試制效果。

3 結 論

（1）為了獲得最佳的復合效果，外基管材質級別要盡可能高，而內襯管材質也應采用剛度匹配的材料。在內襯管、外基管的材料既定的情況下，復合過程采用的水壓越大，復合管獲得的剩余彈性勢能越多，復合效果越好。

（2）復合管水壓膨脹試驗過程中，密封水壓力與時間關系曲線是指導復合作業的重要依據，當外基管處于由彈性變形向塑性變形階段過渡的拐點時，復合管進入彈性變形極限位置，此時對復合管內腔液體的壓力進行卸載，復合管所獲得的剩余彈性勢能將最大，復合效果最好。

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